Respirazione cellulare

Prof Mauro Tonellato
ITI Marconi – Padova
RESPIRAZIONE
CELLULARE
Indice:
Respirazione cellulare
Primo stadio della respirazione cellulare
Glicolisi
La prima fase della glicolisi
La seconda fase della glicolisi
Reazioni enzimatiche
Meccanismo delle reazioni 2, 4, 5, 6, 7, 9, 10
Decarbossilazione ossidativa
Secondo stadio della respirazione cellulare
Ciclo di Krebs
Tappa n° 1: citrato sintasi
Tappa n° 3: isocitrato deidrogenasi
Terzo stadio della respirazione cellulare
Fosforilazione ossidativa
Catena respiratoria
Complesso 1
NAD, nicotinammide adenina dinucleotide
FMN, flavin mononucleotide
Fe-S, centri ferro-zolfo
Q, coenzima Q
Complesso 2
Complesso 3
Citocromi
Complesso 4
Fosforilazione ossidativa
Accoppiamento della fosforilazione ossidativa
Considerazioni finali
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Respirazione cellulare
Con il termine respirazione solitamente si intende il processo fisiologico macroscopico che consiste nella
assunzione di O2 e nel rilascio di CO2 da parte di organismi multicellulari. In biochimica si usa il termine
respirazione in senso microscopico per riferirsi ai processi molecolari che avvengono nella cellula con
consumo di O2 e formazione di CO2. La respirazione cellulare può essere schematizzata come in figura ed
avviene in tre stadi principali.
glucosio
2 ADP
2 NAD+
2 ATP
2 NADH
amminoacidi
acidi grassi
glicolisi
catena
respiratoria
2 acido piruvico
+
10 NAD
2 NAD+
decarbossilazione
2 CO2
ossidativa
6 H2O
+
100 H
25 ATP
x 2,5
25 ADP
+
12 H
3 ATP
x 1,5
3 ADP
10 NADH
2 NADH
2 FAD
2 acetil CoA
2 FADH2
ciclo di Krebs
2 ADP
6 NAD+
2 FAD
6 NADH
2 FADH2
2 ATP
4 CO2
fosforilazione
ossidativa
10 NADH
2 FADH2
6 O2
1) Nel primo stadio le molecole organiche combustibili (glucosio, acidi grassi, alcuni amminoacidi) vengono
trasformate in acetil-CoA (acetil-coenzima A), un tioestere dell’acido acetico. La degradazione del glucosio
fino ad acetil-CoA avviene attraverso la glicolisi e la decarbossilazione ossidativa. La glicolisi è costituita
da 10 reazioni che avvengono nel citoplasma in assenza di ossigeno e spezzano la catena di sei atomi di
carbonio del glucosio in due frammenti di tre atomi di carbonio che vengono ossidati ad acido piruvico.
L’acido piruvico, poi, entra nei mitocondri, organelli specializzati a gestire le reazioni in presenza di
ossigeno, dove subisce la reazione di decarbossilazione ossidativa e forma acetil-CoA.
2) Nel secondo stadio l’acetil-CoA viene ossidato a CO2 attraverso il ciclo di Krebs, una serie di otto
reazioni enzimatiche che avvengono nei mitocondri e che liberano equivalenti riducenti sotto forma di ioni
idruro legati ai coenzimi ridotti NADH e FADH2.
3) Nel terzo stadio, l’ossigeno O2, l’ossidante finale della respirazione cellulare, ossida i coenzimi ridotti
che si sono formati nei primi due stadi, 10 NADH e 2 FADH2. Si generano così 10 NAD+ e 2 FAD che
possono continuare le reazioni di ossidazione nella glicolisi, nella decarbossilazione ossidativa e nel ciclo di
Krebs. NADH e FADH2 non reagiscono direttamente con O2, ma cedono i loro elettroni ad una catena di
molecole trasportatrici di elettroni organizzate in quattro complessi proteici, la catena respiratoria, che li
portano all’ossigeno molecolare O2 che si riduce ad H2O. Questo flusso di elettroni mette in funzione tre
pompe protoniche, nei complessi 1, 3, 4, che spostano H+ da un lato all’altro della membrana interna dei
mitocondri generando una differenza di pH. Questa a sua volta mette in funzione l’enzima ATP sintasi che
produce ATP (da ADP) in un processo chiamato fosforilazione ossidativa. E’ proprio la produzione di ATP
lo scopo fondamentale della respirazione cellulare.
La reazione complessiva che è avvenuta è la completa ossidazione del glucosio ad opera di O2 per formare
CO2, H2O ed energia come in una normale combustione. Una parte dell’energia liberata viene trasformata in
energia chimica sotto forma di ATP. In totale si ottengono 32 ATP per ogni molecola di glucosio.
C6H12O6 + 6 O2 + 32 ADP →
6 CO2 + 6 H2O + 32 ATP
Dato che l’idrolisi di ATP ha ΔG° = –7,3 kcal/mol, producendo 32 ATP abbiamo ottenuto:
ΔG° = –7,3 · 32 = –234 kcal/mol. Confrontando questo valore con quello della reazione di combustione del
glucosio (ΔG° = –686 kcal/mol), l’efficienza della respirazione cellulare appare del 34% (il 34% di 686 è
234). Si è calcolato però che, nella cellula, l’efficienza reale sia circa del 70%, tenendo conto che le
concentrazioni vere sono molto inferiori alle concentrazioni standard 1 M.
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Primo stadio della respirazione cellulare
Glicolisi
Il temine glicolisi (si pronuncia glicòlisi) deriva da due parole greche che significano dolce e scissione. La
glicolisi è una via metabolica pressoché universale dato che è presente non solo negli animali e nelle piante,
ma anche nella maggior parte dei microrganismi. La sua universalità e il fatto di essere anaerobica fanno
pensare che sia una via metabolica che si è sviluppata agli inizi della vita sulla Terra in organismi procarioti
anaerobi che vivevano quando l’atmosfera era ancora priva di O2. La glicolisi è rimasta poi inalterata durante
tutta la storia evolutiva grazie alla sua semplicità ed efficienza. Tutti gli organismi che hanno provato a
cambiarla non sono sopravvissuti.
La glicolisi è costituita da una sequenza di 10 reazioni enzimatiche anaerobiche che avvengono nel
citoplasma e degradano il glucosio a due molecole di acido piruvico producendo anche 2 ATP e 2 NADH.
C6H12O6 + 2 Pi + 2 NAD+ + 2 ADP → 2 CH3COCOOH + 2 NADH + 2 ATP + 2 H2O
Nella glicolisi si possono individuare due fasi, ciascuna composta di 5 reazioni.
Nelle prime 5 reazioni il glucosio viene spezzato in due frammenti identici di 3 atomi di carbonio: due
molecole di gliceraldeide-3-fosfato. Per realizzare questo obiettivo si devono però consumare 2 ATP.
Nelle 5 reazioni successive si realizza un guadagno energetico di 2 ATP e inoltre si recuperano i 2 ATP
utilizzati nella prima fase. Questo si ottiene sfruttando dapprima l’energia liberata dall’ossidazione della
gliceraldeide-3-fosfato, poi l’energia cumulata di due reazioni che avvengono contemporaneamente sull’acido
fosfoenolpiruvico: la tautomeria cheto-enolica e l’idrolisi di un estere fosforico.
La prima fase della glicolisi
Ossidare il glucosio tal quale porterebbe all’ossidazione di una sola aldeide e si otterrebbe un solo ATP. Per
rendere più efficiente il processo, nella prima parte della glicolisi, la catena di 6 atomi di carbonio del
glucosio viene rotta in due frammenti producendo due aldeidi più piccole dalla cui ossidazione, nella
seconda fase, si possano ricavare due ATP.
E’ indispensabile, però, che le due aldeidi siano identiche se vogliamo che sia unica la via metabolica della
seconda fase della glicolisi, quindi devono essere di 3 atomi di carbonio ciascuna. Dato però che la reazione
che rompe la catena è una condensazione aldolica inversa, spezzando il glucosio, si otterrebbero due
frammenti di 2 e 4 atomi di carbonio rispettivamente, Prima di spezzare la catena, quindi, è indispensabile
convertire il glucosio in fruttosio che, avendo il carbonile sul C-2, può essere tagliato in due frammenti di 3
atomi di carbonio ciascuno.
Inoltre, per rendere massima l’efficienza della glicolisi, ogni frammento deve essere fosforilato perché così
è più facilmente riconoscibile dagli enzimi ed inoltre non può sfuggire della cellula. Le molecole fosforilate,
infatti, non possono attraversare la membrana cellulare costituita da un doppio strato di fosfolipidi. Questa
doppia fosforilazione, però, comporta il consumo di due molecole di ATP e obbliga, nella seconda fase della
glicolisi, non solo a ricavare due ATP dall’ossidazione di un’aldeide ad acido, ma anche a recuperare i due
ATP spesi nella prima parte.
La prima fase della glicolisi è costituita, quindi, dalle seguenti 5 reazioni che formano nell’ordine:
glucosio →
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
glucosio-6-fosfato
fruttosio-6-fosfato
fruttosio-1,6-difosfato
gliceraldeide-3-fosfato + diidrossiacetone-fosfato
2 molecole di gliceraldeide-3-fosfato
Nelle prime 3 reazioni il glucosio viene fosforilato sul C-6 per formare glucosio-6-fosfato (1), poi questo
viene isomerizzato a fruttosio-6-fosfato (2), infine quest’ultimo viene fosforilato sul C-1 per ottenere
fruttosio-1,6-difosfato (3). Questa molecola è pronta per essere tagliata, nella reazione n° 4, in due
frammenti di tre atomi di carbonio, entrambi fosforilati: gliceraldeide-3-fosfato e diidrossiacetone-fosfato
(4). Queste due molecole sono isomeri di struttura e vengono interconvertiti uno nell’altro nella reazione n° 5.
All’equilibrio è presente solo il 4 % di gliceraldeide-3-fosfato e il 96 % di diidrossiacetone-fosfato, ma
quest’ultimo viene progressivamente trasformato in gliceraldeide-3-fosfato (5) a mano a mano che questa
viene ossidata nella reazione successiva della glicolisi. In questo modo, per ogni molecola di glucosio
degradata, due molecole di gliceraldeide-3-fosfato entrano nella seconda fase della glicolisi.
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Prima fase della glicolisi
O
H
C
H
HO
H
H
OH
H
OH
OH
CH2OH
D-glucosio
ATP
chinasi
(1)
ADP
H
O
C
H
HO
H
H
OH
H
OH
OH O
CH2 O P O
OH
D-glucosio-6-fosfato
isomerasi
(2)
CH2OH
C O
HO
H
H
OH
H
OH O
CH2 O P O
OH
D-fruttosio-6-fosfato
diidrossiacetone-fosfato
ATP
chinasi
(3)
O
ADP
O
CH2 O P O
C O
OH
HO
H
H
OH
H
OH O
CH2 O P O
OH
CH2 O P O
C O
OH
CH2OH
aldolasi
(4)
D-fruttosio-1,6-difosfato
isomerasi
(5)
H
O
C
H
OH O
CH2 O P O
alla seconda fase
OH
D-gliceraldeide-3-fosfato
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La seconda fase della glicolisi
La seconda fase della glicolisi è costituita dalle 5 reazioni finali, dalla 6 alla 10, che, partendo da due
molecole di gliceraldeide-3-fosfato, formano nell’ordine (il 2 davanti al nome indica 2 molecole di . . .):
→ (6) 2 acido 1,3-difosfoglicerico
(7) 2 acido 3-fosfoglicerico
(8) 2 acido 2-fosfoglicerico
(9) 2 acido 2-fosfoenolpiruvico
(10) 2 acido piruvico
2 gliceraldeide-3-fosfato
Nella seconda fase si realizza il guadagno energetico che rappresenta il vero scopo della glicolisi. Si
formano 4 ATP e, dato che ne erano stati consumati 2 nella prima fase, il guadagno netto è di 2 ATP per ogni
molecola di glucosio degradata ad acido piruvico.
Due ATP vengono prodotti con le reazioni 6 e 7. Se la glicolisi usasse il NAD+ per ossidare la gliceraldeide-3-fosfato si otterrebbe il corrispondente acido glicerico-3-fosfato e l’eccesso di energia sarebbe sprecato come calore. Per trasformare questo eccesso di energia in energia chimica, la glicolisi usa un metodo
ingegnoso. Lega l’aldeide ad un gruppo SH dell’enzima formando un tiosemiacetale. Ora serve tutta la
capacità ossidante del NAD+ per ossidare il tiosemiacetale a tioestere, perchè questo è molto reattivo, infatti,
reagendo con un fosfato inorganico, produce un’anidride: l’acido 1,3-difosfoglicerico (6). Anche questo è
reattivo e trasferisce il fosfato all’ADP per formare ATP e acido 3-fosfo-glicerico (7).
O
H
C
2 H
D-gliceraldeide-3-fosfato
OH
CH2 O P
+
2 NAD + 2 Pi
deidrogenasi
(6)
Seconda fase della glicolisi
2 NADH
O
O
P
C
2 H
OH
CH2 O P
acido D-1,3-difosfoglicerico
2 ADP
chinasi
(7)
2 ATP
O
OH
C
2 H
OH
CH2 O P
acido D-3-fosfoglicerico
mutasi
(8)
O
OH
2 H2O
O
C
2 H
O P
CH2OH
acido D-2-fosfoglicerico
2
enolasi
(9)
OH
C
C O P
CH2
acido 2-fosfoenolpiruvico
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O
2 ADP 2 ATP
2
chinasi
(10)
OH
C
C O
CH3
acido piruvico
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Gli altri due ATP vengono prodotti attraverso le reazioni 8, 9 e 10. Si tratta di restituire i due ATP consumati nella prima fase per fosforilare i carboni 1 e 6 della catena. Questo può essere realizzato osservando che
i β-idrossiacidi sono instabili e tendono a disidratarsi formando acidi α-β insaturi (un comportamento già
osservato con le β-idrossialdeidi nella condensazione aldolica). L’acido 3-fosfoglicerico non ha però l’OH
libero in posizione β, ma lo può facilmente liberare spostando il fosfato dalla posizione β a quella α, cioè dal
C-3 al C-2, formando l’acido 2-fosfoglicerico (8). Questo è un β-idrossiacido e si può disidratare formando
l’acido 2-fosfoenolpiruvico (9), una molecola ancora instabile perchè è un enolo. La tautomeria cheto-enolica a cui andrà incontro la molecola dà la spinta per la produzione di ATP e forma acido piruvico (10).
Oltre al bilancio di ATP è importante considerare il bilancio di NADH. L’ossidazione compiuta nella tappa
+
(6) comporta il consumo di 2 NAD che vengono ridotti a 2 NADH. Questo ha come conseguenza che la
+
glicolisi ha bisogno di un costante apporto di NAD che però è presente in minima quantità nella cellula. Per
funzionare, quindi, la glicolisi ha bisogno di essere accoppiata con una reazione che ossidi il NADH a
+
NAD . Questo può avvenire in modi diversi che rappresentano diversi destini metabolici dell’acido piruvico.
I tre più importanti sono: la respirazione cellulare, la fermentazione lattica e la fermentazione alcolica.
1) Respirazione cellulare. Negli organismi aerobi la glicolisi costituisce solo il primo passo della respirazione cellulare cioè dell’ossidazione completa del glucosio a CO2 ad opera di O2. L’acido piruvico prodotto
dalla glicolisi viene ossidato fino a CO2, nei mitocondri, attraverso la decarbossilazione ossidativa e il ciclo di
Krebs. Queste reazioni producono grandi quantità di NADH che deve essere subito ossidato per rigenerare
+
NAD . Questa ossidazione finale è compiuta dell’ossigeno molecolare O2 che si riduce ad H2O nella catena
respiratoria.
2) Fermentazione lattica. In condizioni anaerobiche, cioè in assenza di ossigeno, bisogna che qualche altra
molecola funga da ossidante finale. Questo ruolo può essere svolto dall’acido piruvico che viene ridotto ad
+
acido lattico per consentire l’ossidazione del NADH a NAD . Questa via metabolica si realizza per esempio
nel muscolo scheletrico che si contrae violentemente, in questo caso si parla di fermentazione omolattica.
Anche alcuni batteri anaerobi trasformano il glucosio in acido piruvico e poi questo in acido lattico, questa
viene chiamata fermentazione lattica ed è responsabile dell’inacidimento del latte nello yogurt.
3) Fermentazione alcolica. In condizioni anaerobiche l’acido piruvico, il prodotto finale della glicolisi, può
essere ridotto con una diversa via metabolica. Alcuni microrganismi anaerobi, come il lievito di birra,
decarbossilano l’acido piruvico ad acetaldeide e poi riducono quest’ultima ad etanolo. In questo modo
ossidano il NADH a NAD+ e possono continuare a ricavare energia dalla glicolisi.
Qui sotto sono riassunte queste tre vie metaboliche. Mentre nelle due fermentazioni l’energia ricavata per
ogni molecola di glucosio è di 2 ATP (prodotti dalla glicolisi), nella respirazione cellulare si ricavano 32 ATP
grazie all’intervento di O2, e della sua energica azione ossidante.
glucosio
2 acido
lattico
glucosio
12 H2O
2 etanolo
glucosio
2 ADP
+
2 NAD
2 ADP
+
2 NAD
2 ADP
+
2 NAD
2 ATP
2 NADH
2 ATP
2 NADH
2 ATP
2 NADH
2 CO2
2 acido
piruvico
8 NAD
2 FAD
+
30 ATP
30 ADP
8 NADH
2 FADH2
6 CO2
2 acido
piruvico
fermentazione
lattica
2 acido
piruvico
2 acetaldeide
fermentazione
alcolica
6 O2
respirazione
cellulare
Si parla di respirazione se la molecola che fa da ossidante finale è una molecola inorganica come O2 che si
riduce ad H2O nella respirazione cellulare. In altri tipi di respirazione troviamo altre molecole inorganiche
−
−
2−
+
che fanno da ossidante, per esempio NO3 che si riduce ad N2, SO4 che si riduce a S , H che si riduce a H2.
Si parla invece di fermentazione se la molecola che fa da ossidante finale è una molecola organica come
l’acido piruvico che si riduce ad acido lattico nella fermentazione lattica, l’acetaldeide che si riduce ad
etanolo nella fermentazione alcolica, la CO2 che si riduce a CH4 nella fermentazione delle biomasse.
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Reazioni enzimatiche
Le dieci reazioni della glicolisi, costituiscono per il chimico un’occasione ideale per comprendere che le
reazioni enzimatiche non sono da accettare "a scatola chiusa", ma sono delle normali reazioni di chimica
organica che vengono realizzate in modo estremamente sofisticato all’interno del sito attivo degli enzimi.
Spesso può essere interessante paragonare una reazione enzimatica alla corrispondente reazione in soluzione
come verrebbe realizzata in un classico laboratorio di chimica organica.
Se la reazione avviene in soluzione, richiede condizioni più drastiche di pH e temperatura ed è affidata alla
casualità degli urti tra le molecole. Una reazione enzimatica, invece, non è lasciata al caso, ma avviene
all’interno di una perfetta macchina chimica, il sito attivo dell’enzima. Qui il substrato è legato in modo
selettivo e i gruppi funzionali degli amminoacidi si avvicinano con precisione alla molecola e la fanno reagire
in modo stereospecifico. Esamineremo ora i meccanismi delle reazioni più interessanti.
Meccanismo della reazione 2
In questa reazione l'enzima isomerasi catalizza l'isomerizzazione del glucosio-6-fosfato in fruttosio-6-fosfato.
Il glucosio può essere isomerizzato anche in soluzione se trattato in ambiente basico, in una reazione nota
come isomerizzazione alcalina. Sia la reazione enzimatica che quella in soluzione procedono attraverso lo
stesso intermedio enediolo. Nel sito attivo dell'enzima il glucosio-6-P si trova vicino ad un residuo di istidina
e ad uno di lisina. Il meccanismo di formazione dell'enediolo è il seguente:
sito attivo
dell'enzima
NH
anello
imidazolico
dell'istidina
H
N
..
NH
Lys
C
H
H
O
NH2
+
+
Lys
H
N
C
H
C
OH
HO
HO
OH
OH
CH2 O P
O H
NH2
OH
OH
OH
CH2 O P
glucosio-6-P
enediolo
Nell’isomerizzazione alcalina in soluzione, il glucosio dà luogo a una miscela di equilibrio nella quale sono
presenti tre esosi: glucosio, fruttosio e mannosio. Qui invece, grazie all'enzima, sono in equilibrio solo
glucosio e fruttosio, senza formazione di mannosio. Il passaggio chiave è la formazione di glucosio dall'enediolo: se la lisina strappa l’H+ sull’OH del C-1, l'enzima permette l'ingresso dell'H+ sul C-2 solo da sopra il
piano molecolare, dove è presente l'azoto protonato dell'anello imidazolico dell’istidina e così si può formare
solo glucosio. Quando, invece, la reazione avviene in soluzione, l'H+ può entrare sul C-2 sia da sopra che
da sotto il piano molecolare dell'enediolo formando indifferentemente glucosio e mannosio. Questa è la
ragione per cui l'enzima è in grado di condurre la reazione in modo stereoselettivo producendo sul C-2 solo
una configurazione R (glucosio) e mai una configurazione S (mannosio), come si vede qui sotto a sinistra.
NH
+N
H
NH
Lys
H
C
C
HO
O
H
NH
.. 2
H
C
H
O
H
O
C
C
HO
OH
OH
CH2 O P
enediolo
H
OH
HO
OH
OH
CH2 O P
+N
H
Lys
glucosio-6-P
O
O
H
CH2OH
C
H
OH
OH
CH2 O P
enediolo
NH
.. 2
O
HO
OH
OH
CH2 O P
fruttosio-6-P
+
Se, invece, la lisina strappa l’H sull’OH del C-2, si forma fruttosio-6-P, come si vede qui sopra a destra.
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Meccanismo della reazione 4
L'enzima della reazione 4 è un’aldolasi e catalizza un’addizione aldolica inversa per spezzare il fruttosio1,6-di-P in due frammenti di 3 atomi di carbonio, diidrossiacetone-P e gliceraldeide-3-P. L’addizione aldolica
è una reazione che permette di fondere tra loro due aldeidi ottenendo una β-idrossialdeide, ma, essendo
reversibile, consente anche di spezzare una β-idrossialdeide o un β-idrossichetone in due frammenti.
Nel fruttosio, si sfrutta la particolare stabilità di una carica negativa sul carbonio in posizione alfa rispetto
al carbonile. Dato che il carbonile è sul C-2, il C-α è il C-3, in neretto nella figura, e può staccarsi dal C-4 se
questo forma un nuovo carbonile (fig.3 qui sotto). La reazione è un’eliminazione e la metà superiore della
molecola si stacca (buon gruppo uscente) dato che può stabilizzare la carica negativa per risonanza sul
carbonile nel C-2 formando l'intermedio enediolo (fig.4). La molecola, quindi, si taglia tra C-3 e C-4.
Il fruttosio, quando entra nel sito attivo dell’enzima (fig.1), si lega al gruppo amminico di una lisina formando
un’immina (fig.3). Questa rende più facile la reazione perchè stabilizza l’intermedio enediolo (fig.4) meglio
dell’ossigeno, infatti l’azoto è più stabile nella forma enolica, mentre l’ossigeno è più stabile nella forma
chetonica. Alla fine della reazione, per liberare la molecola di diidrossiacetone-P, una molecola di acqua
idrolizza l’immina (fig.5) e l’enzima torna allo stato iniziale (fig.6).
La reazione è reversibile e viene usata sia per rompere il fruttosio in due nella glicolisi, sia per sintetizzare
fruttosio nella gluconeogenesi, la configurazione RS sul C-3 e sul C-4 dei due carboni che perdono reversibilmente l'attività ottica durante la reazione deve quindi essere preservata dall’enzima.
Si noti che vi è contemporaneamente catalisi basica da un lato e catalisi acida dall’altro. In soluzione
questo non sarebbe mai possibile perchè il pH è uniforme, mentre nel sito attivo di un enzima possono esserci
amminoacidi dal comportamento acido-base opposto in punti diversi del sito attivo.
sito attivo
dell'enzima
1
..
Lys NH2
2
CH2 O P
C
H AA
O
+
HO C
+
Lys NH
C
OH
:AA
O H H AA
+
OH
CH2 O P
AA:
Lys
enediolo
..
NH
: AA
HO C H
H
AA H
+
Lys
+
NH
AA
+
AA H
+
H
HO C
AA H
+
O H
OH
CH2 O P
CH2 O P
..
HO : AA
C
CH2 OH H
:AA
: AA
H AA
Lys NH2
+
H AA
+
AA :
O
CH2 O P
C
C
OH
CH2 O P
Dopo la rottura del legame C3-C4
la gliceraldeide-3-P lascia l'enzima
: AA
C
6
5
CH2 O P
C
NH
Lys
CH2 O P
il fruttosio-1,6-di-P legato come immina
subisce l'addizione aldolica inversa
il fruttosio-1,6-di-P reagisce con una lisina
per dare una immina (base di Shiff)
4
+
H HO C
O H H AA
+
OH
CH2 O P
AA:
3
CH2 O P
O
CH2 OH
l'idrolisi dell'immina rilascia diidrossiacetone-P
(l'ultimo passaggio è tralasciato)
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Meccanismo della reazione 5
I due trioso-fosfati prodotti dalla reazione 4, gliceraldeide-3-fosfato e diidrossiacetone-fosfato, sono in equilibrio tra loro via enediolo per mezzo di un enzima isomerasi. La reazione 5 è analoga a quella di isomerizzazione del glucosio-6-P in fruttosio-6-P già esaminata prima.
All'equilibrio è presente il 96 % di diidrossiacetone-P, dato però che solo la gliceraldeide-3-P viene
consumata nelle tappe successive della glicolisi, per la legge dell'equilibrio mobile tutto il diidrossiacetone-P
viene trasformato in gliceraldeide-3-P e come tale degradato nella glicolisi. In questo modo entrambi i triosofosfati vengono trasformati in acido piruvico, si ottengono quindi due molecole di acido piruvico per ogni
molecola di glucosio degradata.
H
AA
..
H
H
+
+
C
OH
AA
AA
C
O
H
H
O
H
C
CH2 O P
C
H
O H
OH
CH2 O P
CH2 O P
enediolo
diidrossiacetone-P
O
H
AA
..
C
gliceraldeide-3-P
96 %
4%
In realtà una piccola percentuale di diidrossiacetone-P sfugge alla glicolisi grazie ad una deidrogenasi che lo
riduce a glicerina-1-fosfato, molecola necessaria per la sintesi dei fosfolipidi e dei trigliceridi.
CH2 OH
C
NADH
+
NAD
CH2 OH
O
H
CH2 O P
ADP
ATP
CH2 OH
H
OH
CH2 OH
CH2 O P
diidrossiacetone-P
OH
glicerina
glicerina-1-P
Meccanismo della reazione 6
In questa reazione la gliceraldeide-3-P viene ossidata ad acido 1,3-di-P-glicerico per mezzo di un enzima
deidrogenasi. La tappa 6 è importante per due motivi:
1) Riesce a conservare l'energia liberata dall'ossidazione del gruppo aldeidico producendo un legame ad alta
energia, l'anidride mista acil-fosforica dell'acido 1,3-di-P-glicerico. Questo fosfato costituisce il vero
guadagno energetico della glicolisi dato che produce una molecola di ATP nella tappa successiva, la n° 7.
2) L'ossidazione consuma NAD+ trasformandolo in NADH, quindi è indispensabile rigenerare il NAD+ se si
vuole che la glicolisi continui a degradare glucosio e a produrre energia.
S
..
+
AA
AA
..
+N
+
NAD
H
H
C
H
O
C
H
O
NH2
+
AA
AA
..
S
H
H O C H
H
OH
CH2 O P
+
NAD
C
NH2
+AA
+
S
AA
H
O
H
O C
H
OH
H
CH2 O P
N
NADH
C
NH2
H O
ossidazione
OH
CH2 O P
gliceraldeide-3-P
+N
tiosemiacetale
tioestere
Il meccanismo con cui procede la reazione è complesso. La gliceraldeide-3-P si lega covalentemente al gruppo
tiolico SH di una cisteina nel sito attivo dell'enzima. Si forma così un tio-semiacetale che è più difficile da
ossidare di un’aldeide e quindi serve tutta la capacità ossidante del NAD+ per ossidare il tio-semiacetale a
tio-estere. Il NAD+ si trova legato nel sito attivo dell’enzima. Nella figura è mostrata solo la parte attiva della
molecola di NAD+, la nicotinammide, che accetta uno ione idruro in posizione 4.
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Respirazione cellulare
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Il tioestere formato è una molecola molto reattiva in quanto il legame tioestereo è ad alta energia e può
facilmente reagire con una molecola di fosfato inorganico per formare acido 1,3-di-P-glicerico, un’anidride
mista carbossilica-fosforica nella quale viene conservata l'energia di ossidazione della gliceraldeide-3-P.
+
+
AA
S
H
O
+
AA
AA
..
H
−
C
H
OH
CH2 O P
−
S
O
H
O
H
:O P O
AA
+
AA
H
O PO3H −
C
fosfato
inorganico
H
H
O
OH
CH2 O P
C
H
OH
tioestere
AA
..
S
intermedio
O PO3H −
OH
CH2 O P
acido 1,3-diposfoglicerico
Meccanismo della reazione 7
Il legame anidridico acil-fosforico dell'acido 1,3-di-P-glicerico viene ora idrolizzato per mezzo di un enzima
chinasi che trasferisce il gruppo fosforico ad una molecola di ADP. L'ATP ottenuto costituisce il guadagno
energetico della glicolisi.
−
+
O
AA
H
O
O
C
H
P
OH
OH
CH2 O P
AA
..
O
O
..
−
O P O P O
−
OH
O
H O
O
−
C
H
O
OH
CH2 O P
O
O
P
O
O
OH
P
O
O
OH
Adenosina
−
O
O
Adenosina
ADP
acido 1,3-di-P-glicerico
P
ATP
acido 3-P-glicerico
Meccanismo della reazione 9
L'enzima enolasi catalizza reversibilmente questa reazione di eliminazione in cui si ha la disidratazione del
carbonio 3 dell'acido 2-P-glicerico per dare l'acido fosfoenolpiruvico. La disidratazione di un gruppo OH in
posizione β rispetto al carbonile è particolarmente facile sia perchè può procedere via enolo, sia perchè dà
luogo ad un doppio legame coniugato formando un acido α−β insaturo. E' importante osservare che, mentre
il legame estereo col fosfato nell'acido 2-P-glicerico è relativamente stabile, nell'acido fosfoenolpiruvico
questo legame diventa instabile in grado di trasferire il fosfato sull'ADP per la sintesi di ATP nella tappa
successiva, la n° 10. Quello che rende così reattiva la molecola dell'acido fosfoenolpiruvico è la presenza del
gruppo enolico che tende spontaneamente a trasformarsi nel corrispondente chetone attraverso la tautomeria
cheto-enolica.
+
AA
..
AA
H
O
AA
OH
O
AA
+
C
H
AA
..
+
O P
H
AA
+
C
H
C O P
H
OH
C
C O P
+
H2O
CH2
CH2 OH
..
CH2 OH
acido 2-P-glicerico
OH
H O
enolo intermedio
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acido 2-P-enolpiruvico
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Meccanismo della reazione 10
Un enzima chinasi catalizza l'ultima reazione della glicolisi nella quale l'acido fosfoenolpiruvico viene
trasformato in acido piruvico dopo aver ceduto il fosfato ad una molecola di ADP per formare ATP. L'energia
necessaria per la sintesi dell'ATP viene dalla somma di due reazioni combinate: l'idrolisi del legame estereo
col fosfato sul C-2 e la tautomeria cheto-enolica che trasforma l'enolo (instabile) nel chetone (stabile)
dell'acido piruvico.
O
AA+
OH
O
C
C
H
CH2
O
O
P
OH
−
O
O
AA
..
O
−
O
.. P O P
OH
O
−
O
OH
C
C O
CH3
−
O
O
P
OH
O
O
P O P
OH
Adenosina
acido 2-P-enolpiruvico
ADP
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O
−
O
O
Adenosina
acido piruvico
ATP
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Decarbossilazione ossidativa
L'acido piruvico, il prodotto finale della glicolisi, può essere degradato secondo tre vie diverse come illustrato
a pagina 6.
1 - nella fermentazione lattica, l'acido piruvico viene ridotto ad acido lattico.
2 - nella fermentazione alcolica viene prima decarbossilato ad acetaldeide e poi ridotto ad etanolo.
3 - qui, nella respirazione cellulare, l'acido piruvico subisce una decarbossilazione ossidativa che lo
trasforma in acetil-CoA, un tioestere dell’acido acetico legato al coenzima A,.
O
CH3 C
O
CoA-SH
CO2
+
NAD
NADH
O
CH3 C
C
piruvato deidrogenasi
OH
S
CoA
acetil-CoA
acido piruvico
Il meccanismo della decarbossilazione ossidativa dell'acido piruvico è complesso e coinvolge una serie di
quattro reazioni che devono avvenire in sequenza senza che siano rilasciati prodotti intermedi, per questo i tre
enzimi che le conducono sono associati tra loro in un unico grande complesso multienzimatico chiamato
piruvato deidrogenasi. Prima di esaminare nel dettaglio le reazioni della decarbossilazione ossidativa, vale
la pena di fare alcune considerazioni di carattere generale.
La decarbossilazione è una reazione ben nota in chimica organica che può avvenire in condizioni blande solo
con gli acidi β-γ insaturi che hanno due legami singoli tra carbossile e legame insaturo. Per esempio l'acido
acetacetico è un β-chetoacido e può decarbossilare facilmente, infatti perde CO2 per semplice riscaldamento
con il seguente meccanismo ciclico a 6 atomi:
O
O
CH3 C
O
C
CH2 C
H2 C
OH
H
C
+
100°C
O:
C
H3 C
C
OH
O
H3 C
H3 C
H3 C
acido acetacetico
tautomeria
O
H2 C
H
C
CO2
O
O
Il carbossile COOH è legato al carbonio in alfa rispetto al carbonile, così, quando il gruppo COOH se ne va
come CO2, la coppia di elettroni che lascia sulla molecola (mostrata qui sopra in grassetto) può giungere fino
all'atomo di ossigeno e risulta così stabilizzata.
L'acido piruvico, invece, è un α-chetoacido, e non decarbossila facilmente, infatti, se la CO2 si staccasse,
dovrebbe lasciare sulla molecola una coppia di elettroni direttamente sul carbonio del carbonile dove non può
essere delocalizzata.
O
O
CH3 C
O
C
O
?
C
OH
C
O
O
H
+
H
O
C
..
O
−
C
100°C
CH3
acido piruvico
CH3
troppo instabile
non si forma
Come può allora l'acido piruvico decarbossilare senza contraddire le leggi della chimica? La reazione è
possibile grazie all'intervento della tiaminapirofosfato (TPP) o vitamina B1 una molecola in grado di
promuovere la decarbossilazione degli α-chetoacidi.
O
vitamina B1
tiaminapirofosfato
N
H3C
CH2 CH2 O
H3C
P
OH
N
N
+ C
NH2
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O
O
P
O−
OH
S
H
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Il punto reattivo della vitamina B1 è l'anello tiazolico aromatico a cinque atomi. A causa della carica positiva
sull'azoto, l'atomo di carbonio compreso tra azoto e zolfo è leggermente acido e può perdere l'H+. La forma
anionica della TPP è nucleofila e può reagire attaccando il carbonile sul C-2 dell'acido piruvico.
Il nuovo acido che si ottiene è ancora insaturo, ma ha il doppio legame spostato più indietro di un posto, è
diventato quindi β-γ insaturo (due legami singoli tra carbossile e doppio legame). Questa è la situazione
ideale per la decarbossilazione che permette agli elettroni, lasciati sulla molecola dalla CO2 che si stacca, di
essere stabilizzati giungendo fino all'atomo di azoto positivo. Non sono molte le molecole che possiedono,
come la TPP, una carica negativa stabile sul carbonio di un legame multiplo. Lo ione cianuro ha queste
caratteristiche, ma naturalmente è troppo tossico.
acido piruvico
α−β insaturo CH3 C
R
+
AA
H
O:
O
N
+
R
S
CH3
C
H
R
S
CH3
R
CH3 C
CO2
O
C
N
+
OH
O
CH3 C
OH
..
−C
: AA
OH
C
R
CH3
.. C
S
N
CH3
C
R +
S
N
CH3
R
acido β−γ insaturo
forma anionica della TPP
OH
−
C:
R
idrossietil-TPP
Si è formata idrossietil-TPP che è descritta dalle due forme limite di risonanza mostrate qui sopra a destra.
Questa molecola deve essere ossidata per produrre acido acetico, ma non si può usare NAD+ o FAD perchè
non ci sono atomi di H sul carbonio che deve essere ossidato. L’enzima piruvato deidrogenasi utilizza quindi
un altro sistema redox, il ponte disolfuro −S−S− della lipoammide che viene ridotto alla forma tiolica SH.
CH3
OH
−
C:
H
:OH
+
AA
CH3 C
S:
S
C
R +
N
S
HS
O
S
R
C
R +
S
N
R
N
+
R
CH3
R
CH3
SH
S
S
CH3
R
lipoamide
idrossietil-TPP
CH3 C
..
−C
R
R
acetil lipoamide
TPP
Il tioestere intermedio acetil-lipoammide subisce una reazione di transesterificazione reagendo col tiolo del
coenzima A (CoA-SH). Si forma il tioestere acetil-CoA e il ditiolo diidrolipoammide.
O
CH3 C
HS
O
CoA
SH
S
CH3 C
SH
S
CoA
SH
+
R
R
acetil lipoamide
diidrolipoamide
acetil-CoA
A differenza della idrossietil-TPP, la diidrolipoammide possiede, sui gruppi SH, gli atomi di idrogeno
necessari per ridurre il FAD. Il FADH2 così prodotto viene subito dopo riossidato dal NAD+ che si riduce a
NADH.
..
N
H
O
N
H
H
O
N
S
N
H
+
N
N
O
H
S
R
R
FAD
S
+
diidrolipoamide
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N
N
R
H
FADH2
O
S
R
lipoamide
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La struttura dell'acetil-coenzima A è illustrata qui sotto. Nel Co-A ci sono tre componenti legati tra loro in
modo covalente: 2-mercaptoetilammina, acido pantotenico (vitamina B5), adenosina-3'-fosfato-5'- difosfato.
Il legame tioestereo tra l'acido acetico e il coenzima A è ad alta energia dato che il ∆G°' di dissociazione è di
-7,5 kcal/mole, simile a quello dell'ATP che è di -7,3 kcal/mole.
O
O
CH3 C
S CH2 CH2 NH C
acido
acetico
CH2
Acetil coenzima A
CH2
2-mercapto
etilammina
NH
C
acido pantotenico
(vitamina B5)
HO
NH2
O
CH
O
CH3 C
CH2 O
CH3
P
N
O
O
P
H2
C
O
N
O
OH
N
N
O
O
adenosina-5'-difosfato-3'-fosfato
O
OH
P
OH
O
Nella fermentazione alcolica l'acido piruvico viene decarbossilato attraverso una serie di reazioni che
ricalcano lo stesso schema appena visto per la decarbossilazione ossidativa fino alla formazione della
idrossietil-TPP. A questo punto la idrossietil-TPP, invece di subire un’ossidazione con la lipoammide, si
protona sul carbonio che aveva subito la decarbossilazione, poi si scinde liberando acetaldeide e TPP che è
un buon gruppo uscente dato che può uscire come carbanione stabile.
CH3
: OH
OH
−
C:
CH3 C
C
R +
S
N
+
H
H
C
R +
S
N
O
CH3 C
+
.. −
C
+
R
S
N
H
CH3
R
CH3
idrossietil-TPP
CH3
R
R
TPP
acetaldeide
La reazione col NADH, infine, produce etanolo e NAD+ che consente di continuare la glicolisi.
O
H
H
O
H
OH
C
NH2
CH3 C
H
CH3 CH2
..
N
NADH
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C
NH2
+
N+
R
acetaldeide
O
etanolo
R
+
NAD
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Secondo stadio della respirazione cellulare
Ciclo di Krebs
Il ciclo di Krebs, o ciclo dell'acido citrico, consiste in una serie di reazioni che avvengono all'interno dei
mitocondri, nello spazio della matrice. Queste reazioni sono realizzate attraverso otto tappe enzimatiche e
hanno lo scopo di ossidare completamente i due carboni del gruppo acetilico dell'acetil-CoA formando due
molecole di CO2 in modo però da conservare l'energia libera per la produzione di ATP.
Il problema chimico affrontato dal ciclo di Krebs è la decarbossilazione dell'acido acetico, che risulta
ancora più complessa di quella dell'acido piruvico. Il problema è stato risolto in modo elegante unendo l'acido
acetico ad una molecola ausiliaria, l'acido ossalacetico, in modo da ottenere, dopo alcuni passaggi, l'acido
ossalosuccinico un β-chetoacido che può decarbossilare facilmente perchè possiede un doppio legame in
posizione β-γ. La molecola che si ottiene è l'acido α-chetoglutarico, un α-cheto acido, che può decarbossilare
facilmente con l’intervento della tiaminapirofosfato, la vitamina B1, ed un enzima quasi identico a quello
della decarbossilazione ossidativa dell’acido piruvico.
O
CH3 C
Acetil-CoA
S
CoA
H2O
Acido
ossalacetico
CH2 COOH
O
C
NADH
Acido
(S)-malico
COOH
CH2 COOH
+
NAD
(8)
Malato
deidrogenasi
HO
CH COOH
Acido
citrico
CoASH
HO
(1)
Citrato
sintasi
C
COOH
CH2 COOH
H2O
(2)
Aconitasi
CH COOH
C
CH2 COOH
CH2 COOH
(7)
Fumarasi
H2O
Acido
cis-aconitico
COOH
H2O
(2)
Aconitasi
CH COOH
Acido
fumarico
CH COOH
(6)
Succinato
deidrogenasi
FADH2
FAD
CH2 COOH
Acido
succinic
HO
Ciclo di
Krebs
CH COOH
CoASH
GTP
GDP + P
O
C
S CoA
(3)
Isocitrato
deidrogenasi
(4)
α-chetoglutarato
deidrogenasi
CO2
CH2
CoASH
CH2 COOH
Succinil-CoA
Acido
isocitrico
CH2 COOH
(3)
Isocitrato
deidrogenasi
(5)
Succinil-CoA
sintetasi
CH2 COOH
CH COOH
NADH
O
NADH
C
COOH
CH COOH
CH2 COOH
C
COOH
Acido
ossalosuccinico
CH2
+
NAD
O
+
NAD
CH2 COOH
CO2
Acido
α-chetoglutarico
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Respirazione cellulare
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A differenza di quanto accade nella glicolisi, qui le reazioni hanno un andamento ciclico: l'acido ossalacetico,
che viene consumato inizialmente per condensazione con l'acetil-CoA, viene rigenerato alla fine del ciclo e
può ricominciare la sequenza di reazioni. In questo modo una singola molecola di acido ossalacetico può
degradare teoricamente un numero infinito di molecole di acetil-CoA. Le 8 tappe enzimatiche possono essere
così riassunte:
1) L'enzima citrato sintasi catalizza la condensazione dell'acetil-CoA con l'acido ossalacetico per formare
acido citrico, che dà il nome al ciclo. Se l’acido citrico avesse un carbonile in posizione β potrebbe
decarbossilare. Però non è possibile ossidare il suo gruppo OH a carbonile perché è terziario. Nelle prossime
tappe del ciclo è necessario quindi spostare l’OH sul carbonio adiacente (secondario), ossidarlo a carbonile, e
infine decarbossilare la molecola.
2) L'enzima aconitasi converte l'acido citrico in acido isocitrico nel quale il gruppo ossidrilico si trova sul
carbonio secondario. L'acido citrico viene prima disidratato formando l'acido insaturo cis-aconitico, questo
viene poi reidratato in modo che l'ossidrile si leghi al carbonio adiacente. Durante queste operazioni la
molecola resta legata nel sito attivo dell’enzima.
3) L'enzima isocitrato deidrogenasi ossida, per mezzo del NAD+, il gruppo ossidrilico dell'acido isocitrico
formando l'acido ossalosuccinico, un β-chetoacido (β-γ insaturo) rispetto al COOH centrale che viene subito
decarbossilato ad acido α-chetoglutarico. Questa è la prima delle due tappe in cui si ha liberazione di CO2.
4) Il complesso multienzimatico α-chetoglutarato deidrogenasi esegue una decarbossilazione ossidativa
dell'acido α-chetoglutarico (che è un α-chetoacido come l’acido piruvico) formando succinil-CoA. Il
meccanismo d'azione di questo enzima è del tutto simile a quello della piruvato deidrogenasi e coinvolge la
vitamina B1, la lipoamide, il Coenzima A e il NAD+.
5) L'enzima succinil-CoA sintetasi trasforma il succinil-CoA in acido succinico recuperando l'energia libera
dell'idrolisi del tioestere per formare GTP che viene poi convertito in ATP.
A questo punto del ciclo sono state prodotte due molecole di CO2 e quindi è stata completata l'ossidazione del
gruppo acetile. La parte restante del ciclo ha lo scopo trasformare l'acido succinico in acido ossalacetico che
può ricominciare il ciclo di reazioni. La somiglianza tra le due molecole ci suggerisce la strategia di sintesi: si
tratta di creare un doppio legame C=C, di idratarlo fino ad alcol e infine di ossidare l’alcol a carbonile C=O.
6) L'enzima succinato deidrogenasi trasforma il legame centrale dell'acido succinico nel doppio legame
trans dell'acido fumarico, cioè ossida un alcano ad alchene riducendo il FAD a FADH2.
7) L'enzima fumarasi idrata il doppio legame dell'acido fumarico producendo acido malico.
8) Infine l'enzima malato deidrogenasi ossida il gruppo alcolico a chetone e forma acido ossalacetico
riducendo la terza molecola di NAD+ a NADH.
La reazione globale riferita ad una molecola di acetil-CoA è la seguente:
Acetil-CoA + 3 NAD+ + FAD + GDP + Pi → 2 CO2 + CoA + 3 NADH + FADH2 + GTP
Per brevità esamineremo in dettaglio il meccanismo di due sole reazioni enzimatiche, quello della citrato
sintasi, la tappa n° 1, e quello della isocitrato deidrogenasi, la tappa n° 3.
Tappa n° 1: citrato sintasi
La reazione catalizzata dell'enzima citrato sintasi è una condensazione di Claisen mista tra un estere, l'acetilCoA e un chetone, l'acido ossalacetico. Il meccanismo della reazione avviene in 3 tappe.
+ AA
O
H
CH2 C
CoA
AA
..
O
C
COOH
H
O
CH2 C
2
S
+
AA
CoA
S
AA
..
O
CH2 COOH
acetil-CoA e
acido ossalacetico
AA
..
CH2 C
1
S
H
O H
C
COOH
HO C
+ AA
H
CoA
COOH
CH2 COOH
CH2 COOH
l'enolo dell'acetil-CoA
attacca l'ac. ossalacetico
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citril-CoA
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+ AA
O
HO C
CH2 COOH
CoA
S
AA
..
CoA-SH
H2O
H
CH2 C
HO C
COOH
3
COOH
CH2 COOH
CH2 COOH
citril-CoA
acido citrico
1) L'acetil-CoA viene convertito per tautomeria nell'enolo attraverso una catalisi acida da un lato della
molecola e basica dall’altro. L’acido acetico si presenta come tioestere (acetil-CoA) perchè così può formare
più facilmente l’enolo. Se l'acido acetico avesse il carbossile libero, qui avrebbe avuto un idrogeno molto più
acido di quello in alfa (pKa 4,7 contro pKa 25) quindi a pH fisiologico il carbossile sarebbe presente come
carbossilato e la carica negativa impedirebbe lo strappo dell’H+ in alfa, quindi impedirebbe la tautomeria.
O
O
CH2 C
CH2 C
αH un po' acido pKa = 25
S
H
CoA
O
αH H
H
H molto più acido pKa = 4.7
2) L'enolo dell'acetil-CoA porta un attacco nucleofilo al carbonile dell'acido ossalacetico. Il prodotto della
reazione è il citril-CoA che resta legato all'enzima.
3) Il citril-CoA viene idrolizzato ad acido citrico e CoA-SH. Questa idrolisi è fortemente spostata a destra,
∆G°' = -7,5 Kcal/mole, e fornisce la spinta termodinamica a tutta la reazione.
Tappa n° 3: isocitrato deidrogenasi
L'enzima isocitrato deidrogenasi catalizza prima l’ossidazione e poi la decarbossilazione dell'acido isocitrico
per formare acido α-chetoglutarico. Si produce la prima molecola di CO2 del ciclo e la prima molecola di
NADH. La reazione procede in due stadi. Nel primo il NAD+ ossida l'acido isocitrico ad acido
ossalosuccinico che resta legato all'enzima. Nel secondo stadio l'acido ossalosuccinico, un β-chetoacido,
viene decarbossilato in presenza di Mn2+ come cofattore.
+N
2+
+
Mn
AA
..
2+
NH2
H
H
N
NAD
O
−
C
+
AA
1
COO
O
H
C
O: −
CH2 COOH
H
O
C
H O
2
O
C
CH2
O: −
COOH
acido ossalosuccinico
N
2+
NADH
NH2
O−
Mn
+
AA
H
H
O
C
H
acido isocitrico
NH2
O−
Mn
O
NADH
C
O
C
H
O
H O
H C
CH2 COOH
enolo intermedio
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O
C
COOH
CH2
CH2 COOH
acido α-chetoglutarico
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Terzo stadio della respirazione cellulare
Fosforilazione ossidativa
Nel terzo stadio della respirazione cellulare l'ossigeno molecolare O2 ossida i coenzimi ridotti NADH e
FADH2 che sono stati generati dalla glicolisi, dalla decarbossilazione ossidativa e dal ciclo di Krebs. Le
reazioni sono le seguenti:
NADH + 1/2 O2 + H+ → NAD+ + H2O
FADH2 + 1/2 O2
→ FAD + H2O
∆E = 1,14 V ∆G°' = −52,6 kcal/mol (-220 kJ/mol)
∆E = 0,785 V ∆G°' = −36,2 kcal/mol (−151 kJ/mol)
(∆G°' indica la variazione di energia libera per concentrazioni 1 M a pH 7, mentre ∆G° è riferito a pH 0).
Queste reazioni sono fortemente esoergoniche. L'energia libera ∆G°' non viene dispersa come calore, ma è
utilizzata per produrre una differenza di pH tra la matrice e lo spazio intermembrana, che a sua volta provoca
una reazione di fosforilazione che genera ATP da ADP e fosfato inorganico.
∆G°' = +7,3 Kcal/mole
ADP + Pi + H+ → ATP + H2O
La reazione complessiva è quindi chiamata fosforilazione ossidativa.
Gli elettroni che vengono ceduti dal NADH e dal FADH2 giungono all'ossigeno attraverso una serie di
molecole trasportatrici di elettroni chiamate nel loro insieme catena respiratoria e organizzate in quattro
complessi proteici chiamati complesso 1, 2, 3 e 4. Sia la catena respiratoria che la fosforilazione ossidativa
sono localizzate nella membrana interna dei mitocondri. La decarbossilazione ossidativa, il ciclo di Krebs
e la beta ossidazione degli acidi grassi, che producono la maggior parte del NADH e del FADH2, sono
localizzate nella matrice mitocondriale a ridosso della catena respiratoria.
Il flusso di elettroni lungo la catena respiratoria provoca uno spostamento di ioni H+ dalla matrice verso lo
spazio intermembrana in corrispondenza dei complessi 1, 3 e 4 che, per questo, sono chiamati pompe
protoniche (il complesso, invece, 2 è inattivo). Si genera così una differenza di pH di circa 0,75 unità tra i
due lati della membrana interna dei mitocondri. Nello spazio intermembrana si viene a creare un ambiente
acido, nella matrice un ambiente basico. A questo punto entra in azione il complesso enzimatico ATP sintasi
che produce ATP, a partire da ADP e fosfato inorganico, sfruttando la tendenza degli ioni H+ a reagire con gli
ioni OH− per formare H2O.
L'ossidazione di una molecola di NADH fa scorrere 2 elettroni nella catena respiratoria attraverso i complessi
1, 3 e 4 e quindi spinge 10 H+ (4+4+2) nello spazio intermembrana e produce 2,5 molecole di ATP.
L’ossidazione di un FADH2, invece, fa scorrere 2 elettroni nella catena respiratoria attraverso i complessi 2, 3
e 4 e quindi spinge solo 6 H+ (4+2) nello spazio intermembrana e produce solo 1,5 molecole di ATP.
Per concludere, l'ossidazione e la fosforilazione sono processi accoppiati per mezzo di una differenza di
concentrazione di ioni H+ creata a cavallo della membrana interna mitocondriale.
4 H+
1
2
4 H+ 2 H+
3
4
NAD+ + H+
ATP
sintasi
2e-
2eNADH
4 H+
1/
2
O2 + 2 H+
H2O
ADP + Pi
ATP
spazio della matrice
membrana interna
spazio intermembrana
membrana esterna
Struttura schematizzata di un mitocondrio
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Catena respiratoria
La catena respiratoria ricorda da vicino una pila, infatti utilizza l'energia liberata dall’ossidazione di NADH e
FADH2 ad opera di O2 per produrre un flusso di elettroni che a sua volta produce un lavoro, lo spostamento di
ioni H+ dalla matrice allo spazio intermembrana.
Per realizzare una pila si fanno avvenire le due semireazioni di ossidazione e di riduzione in due recipienti
diversi uniti da un ponte salino e nei quali sono immersi due elettrodi collegati da un filo elettrico attraverso
il quale gli elettroni vengono trasferiti dalla semireazione di ossidazione a quella di riduzione. In questo modo
l'energia libera della reazione viene trasformata in energia elettrica che può essere utilizzata per azionare un
motore.
Nei mitocondri si realizza qualcosa di simile: NADH e O2 non reagiscono direttamente tra loro, ma le due
semireazioni avvengono in posti diversi e gli elettroni vengono trasferiti dalla semireazione di ossidazione del
NADH a quella di riduzione di O2 attraverso una serie di molecole trasportatrici di elettroni, la catena
respiratoria, che si comporta come un filo elettrico. Il flusso di elettroni compie un lavoro chimico
inducendo alcuni complessi proteici di membrana a trasferire ioni H+ da un lato all'altro della membrana
interna dei mitocondri.
La catena respiratoria è costituita da quattro complessi proteici che contengono dei coenzimi redox saldamente legati. Gli elettroni vengono trasferiti da un gruppo redox al successivo attraverso potenziali progressivamente crescenti compresi tra −0,32 V della coppia NAD+/NADH e +0,82 V della coppia O2/H2O.
Solo i complessi 1, 3 e 4 sono in grado spostare gli ioni H+ e per questo sono chiamati pompe protoniche.
Gli elettroni vengono trasferiti dai complessi 1 e 2 fino al complesso 3 per mezzo del coenzima Q (che si
muove liberamente all’interno della membrana), e sono trasferiti dal complesso 3 fino al complesso 4 per
mezzo del citocromo c (una piccola proteina esterna alla membrana). Il seguente schema può chiarire il
processo (il percorso compiuto dagli elettroni è mostrato con frecce in grassetto).
Complesso 1
Complesso 2
Complesso 3
+
4H
Lato P
+
2H
+
4H
Spazio
intermembrana
Cit c
Q
Lato N
NADH
QH2
QH2
Membrana
interna
FMN
Cit c
Fe-S Cit c1
Fe-S
Spazio
della matrice
Complesso 4
Fe-S
Cu A
Cit a
Cit b 562
Cit a3
Q
QH2
Q
Fe-S
Cit b 566
QH2 QH. Q
O2
Cu B
FAD
2 e−
2 e−
+
4H
NAD++ H +
a.succinico
+
2H
+
2H
+
1/2 O2 + 2 H
a.fumarico
2 e−
H2O
I potenziali redox E°' dei componenti della catena respiratoria sono i seguenti:
Complesso 4
Complesso 3
Complesso 1
O2
CuB
Cit a3
Cit a
CuA
Cit c
Cit c1
Fe-S
Cit b
CoQ
Fe-S
FMN
NAD
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+0,82 V
+0,34 V
+0,35 V
+0,29 V
+0,25 V
+0,25 V
+0,21 V
+0,28 V
+0,077 V
+0,045 V
-0,30 V
-0,30 V
-0,32 V
Complesso 2
Fe-S
FAD
-0,03 V
-0,04 V
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Riportando in grafico questi valori si osserva che ci sono solo tre passaggi lungo la catena respiratoria che
presentano sufficiente differenza di potenziale da permettere sia di trasferire elettroni che di spostare ioni H +
contro gradiente di concentrazione per promuovere la sintesi di ATP. Questi salti di potenziale sono in
corrispondenza dei tre complessi 1, 3 e 4 e sono evidenziati con tre frecce nella figura.
V
O2
+0,8
+0,6
+0,4
Fe-S
+0,2
c1
Complesso 2
0,0
FAD
Q
Fe-S
c
CuA
a3
a
CuB
b
Complesso 4
Complesso 3
-0,2
FMN
NAD
Fe-S
-0,4
Complesso 1
flusso di elettroni
Complesso 1
Il complesso 1 umano, chiamato NADH-CoQ ossidoreduttasi, è uno dei più grandi complessi proteici di
membrana conosciuti, infatti è composto di 46 catene e contiene due tipi di sistemi redox: una molecola di
FMN, flavin mononucleotide, e sette centri ferro-zolfo, cioè proteine che contengono atomi di ferro noneme complessati con atomi di zolfo. Inoltre il complesso 1 è anche una pompa protonica e contiene 4 canali
trasportatori di H+. I due processi che questo complesso promuove sono quindi:
1) il trasferimento esoergonico di 2 e− e 2 H+ dal NADH al coenzima Q: NADH + H+ + Q → NAD+ + QH2.
2) il trasferimento endoergonico di 4 H+ dalla matrice (lato N, negativo) allo spazio intermembrana (lato P,
positivo).
Descriveremo in questo paragrafo anche il NADH e il Coenzima Q, i gruppi redox che interagiscono a monte
e a valle col complesso 1.
NAD, nicotinammide adenina dinucleotide
Il NAD è il coenzima di ossidoriduzione che, assieme al FAD, ha la funzione di raccogliere tutti gli
equivalenti riducenti prodotti dall’ossidazione dei substrati organici. Il centro redox del NAD è la
nicotinammide (vitamina PP o vitamina B3, mostrata qui sotto a destra), che può accettare uno ione idruro
in posizione 4. La reazione è la seguente:
O
C
−O
O
O
−O
N
O
+
NH2
N
N
P
O
O
N
N
NADH
H
NH2
OH OH
→
NH2
P
O
O
O
NAD+ + H−
N
+
R
+
NAD
H
−
:H
O
NH2
N
R
NADH
OH OH
+
NAD
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FMN, flavin mononucleotide
Il FMN è un coenzima simile al FAD, ma privo di AMP adenosina monofosfato. Il precursore del FMN e del
FAD è la riboflavina o vitamina B2 che differisce dal FMN solo per la mancanza del gruppo fosfato legato
al ribitolo. Come il coenzima Q, mostrato più avanti, anche il FMN può scambiare sia uno che due elettroni
per volta, questo è possibile perché oltre ad una forma ossidata e ad una forma ridotta, possiede anche uno
stato di ossidazione intermedio di tipo semichinonico che è un radicale libero stabilizzato per risonanza.
Il FMN può così fare da ponte, nella catena respiratoria, tra un donatore a due elettroni, il NADH, e un
accettore ad un solo elettrone, il Fe3+ del gruppo ferro zolfo che scambia un solo elettrone per volta.
O
H
H3C
N
H3C
N
N
CH2
H
H
.
.
O
H
N
H
O
Fe
3+
H2O:
H3C
N
H3C
N
H
H
.
N
O
N
OH
H
OH
N
H3C
N
H
N
.
R
N
O
R
OH
H
H3C
O
.
FMNH
forma parzialmente ossidata
semichinonica
-2
CH2 OPO3
Il radicale libero è distribuito
per risonanza sui quattro atomi
evidenziati con un cerchio
FMNH2
forma ridotta idrochinonica
O
H
H3C
N
H3C
N
.
O
N
H
H2O:
Fe
O
N
H3C
N
H3C
N
N
H
3+
R
N
O
R
.
FMNH
forma parzialmente ossidata
semichinonica
FMN
forma ossidata chinonica
Fe-S, centri ferro-zolfo
I centri Fe-S sono i gruppi prostetici delle proteine ferro-zolfo, proteine che contengono atomi di ferro non
inseriti in un gruppo eme, ma complessati con atomi di zolfo. I più comuni sono i centri [2Fe-2S] e [4Fe-4S],
sono costituiti da un numero uguale di atomi di ferro e di zolfo coordinati dai quattro gruppi tiolici di quattro
cisteine appartenenti alla catena proteica.
Cys
S
S
Cys
S
Fe
Cys
S
Centro [2Fe-2S]
Fe
S
S
Cys
Durante il passaggio degli elettroni nella catena respiratoria, gli atomi di ferro dei centri ferro-zolfo passano
ciclicamente dallo stato di ossidazione +3 a +2 e viceversa. Anche se sono presenti più atomi di ferro, i centri
ferro-zolfo possono scambiare un solo elettrone per volta.
Q, coenzima Q
Il coenzima Q è un chinone liposolubile con una lunga catena laterale terpenica costituita, nei mammiferi, da
10 unità isopreniche che contengono 5 atomi di carbonio ciascuna. E' anche conosciuto come ubichinone o
chinone ubiquitario perché è presente nella maggior parte dei sistemi biologici. E' il solo trasportatore di
elettroni della catena respiratoria che non è legato ad una proteina e quindi, grazie alle caratteristiche apolari
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che gli conferisce la catena terpenica, può diffondere rapidamente all'interno del doppio strato fosfolipidico
della membrana interna dei mitocondri. Raccoglie elettroni dai centri ferro-zolfo dei complessi 1 e 2 e quindi
migra fino ad entrare in contatto con il complesso 3 dove cede i propri due elettroni ad un gruppo ferro-zolfo
e al citocromo b.
Il coenzima Q, oltre alla forma ossidata (chinonica) e a quella ridotta (idrochinonica), possiede anche uno
stato di ossidazione intermedio semichinonico che è un radicale libero stabilizzato per risonanza. Questa
caratteristica diventa indispensabile quando Q deve accettare un solo elettrone per volta dai gruppi ferro zolfo
del complesso 1 e del complesso 2.
O.
O
CH3
CH3O
CH3O
. e-
CH3O
H+
H
.
CH3O
10
:O :
.
O
CH3
CH3O
R
CH3O
R
OH
OH
QH .
forma parzialmente ridotta semichinonica
Il radicale libero è distribuito per risonanza sui
quattro atomi evidenziati con un cerchio
Q
forma ossidata chinonica
: O:
CH3O
CH3
.
OH
CH3
.
H+
. e-
R
CH3O
CH3
CH3O
CH3O
H
10
OH
OH
QH .
forma parzialmente ridotta semichinonica
QH2
forma ridotta idrochinonica
Il coenzima Q è anche responsabile del funzionamento della pompa protonica del complesso 1. Dopo aver
preso i due elettroni dall’ultimo dei sette gruppi FeS del complesso 1, il coenzima QH2 passa attraverso la
porzione del complesso immersa nella membrana, formata da quatto canali proteici trasportatori di H+ e li
attiva uno dopo l’altro in sequenza.
Anche la vitamina E ha una struttura di tipo idrochinonico, è una molecola antiossidante che forma radicali
molto stabili e ha il compito di preservare dall’ossidazione radicalica le catene insature dei fosfolipidi della
membrana cellulare. Il radicale semichinonico della vitamina E è più stabile dei radicali allilici che si
formano durante l'ossidazione degli acidi grassi. Una molecola di vitamina E reagisce con due radicali
(indicati qui con ∙R) e quindi può interrompere due catene di ossidazione.
CH3
H. . O
. .
.R
.
.
H3C
CH3
3
α tocoferolo - vitamina E
forma ridotta idrochinonica
CH3
CH3
O
.R
O
.
H
O
CH3
RH
H3C
O
CH3
radicale stabile
semichinonico
CH3
H3C
O
R
CH3
CH3
forma chinonica
Complesso 2
Il complesso 2 è chiamato succinato-CoQ reduttasi perché gli elettroni che giungono al CoQ dal FADH2
provengono dalla ossidazione dell'acido succinico. Il complesso 2 è un punto di contatto tra ciclo di Krebs e
catena respiratoria, infatti contiene l'enzima della tappa n°6 del ciclo di Krebs, che ossida l'acido succinico ad
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acido fumarico riducendo il FAD a FADH2. Il FADH2 non lascia mai il complesso e trasferisce i suoi
elettroni a 3 centri Fe-S che a loro volta riducono il CoQ. La distanza massima tra questi centri redox è di
11 Å e questo garantisce un trasferimento veloce di elettroni. Nel complesso 2, proprio dietro il sito di legame
per il CoQ, è presente anche un citocromo b che non partecipa al flusso di elettroni, ma serve a catturare gli
elettroni che escono dal percorso per limitare la formazione di molecole radicaliche e di composti reattivi
dell’ossigeno (ROS) come acqua ossigenata e ioni superossido. Alcune mutazioni genetiche a carico di questo
punto del complesso 2 portano ad un eccesso di ROS e a una maggior incidenza di tumori.
Il complesso 2 non è una pompa protonica, cioè non è in grado di trasferire protoni dalla matrice allo spazio
intermembrana a causa della troppo piccola energia libera generata dal trasferimento di elettroni dal FADH 2
al CoQ. Gli elettroni immessi dal FADH2 nel complesso 2 attraversano solo due pompe protoniche nei
complessi 3 e 4 quindi spostano solo 4 H+ e 2 H+ e portano alla formazione di sole 1,5 molecole di ATP.
Anche il FADH2 prodotto dalla β-ossidazione degli acidi grassi e da altre vie porta i suoi elettroni fino al
coenzima Q, ma lo fa attraverso complessi enzimatici diversi e non attraverso il complesso 2.
Complesso 3
Il complesso 3, chiamato CoQ-citocromo c ossidoreduttasi, è la seconda delle tre pompe protoniche della
catena respiratoria. Contiene il citocromo b che possiede due gruppi eme, b562 e b566 (lunghezza d’onda più
lunga della luce assorbita), legati ad un'unica catena proteica, un centro Fe-S e il citocromo c1.
Nel complesso 3 si realizza il trasferimento dal coenzima QH2 al citocromo c1 di due elettroni con il
contemporaneo prelievo di 2 H+ dalla matrice (lato N) e il trasferimento di 4 H+ nello spazio intermembrana
(lato P) secondo la reazione:
QH2 + 2 cit-c1(ox) + 2 H+(N) → Q + 2 cit-c1(rid) + 4 H+(P)
Questo si realizza attraverso un processo chiamato ciclo Q che consiste in un doppio flusso di elettroni e
coinvolge due molecole di coenzima Q con un meccanismo in due fasi.
Nella prima fase una molecola di QH2 cede due elettroni, uno va al centro ferro zolfo e da questo prosegue
fino al citocromo c1. L’altro elettrone viene ceduto da QH2 al citocromo b nel quale si muove attraverso i due
gruppi eme b562 e b566 fino ad un’altra molecola di Q che viene ridotto alla forma semichinonica QH∙.
Nella seconda fase una seconda molecola di QH2 immette altri due elettroni che seguono la stessa strada dei
primi due, e giungono da un lato al citocromo c1, dall’altro giungono al semichinone QH∙ che viene ridotto a
QH2.
Ciclo Q nel Complesso 3
+
2H
Lato P
Cit c
Spazio
intermembrana
Q
+
2H
Cit c
Fe-S Cit c1
QH2
Fe-S Cit c1
Q
Cit b 562
QH2
Cit b 562
Membrana
interna
.
QH Q
Spazio
della matrice
Lato N
+
H
Cit b 566
prima fase
QH2 QH
+
H
.
Cit b 566
seconda fase
Il ciclo Q rende conto di come funziona la pompa protonica accoppiata al flusso di elettroni nella
catena respiratoria. La molecola di coenzima QH2 che si ossida si trova nel lato alto della membrana
interna e cede 2 H+ verso lo spazio intermembrana. La molecola di coenzima Q che si riduce si trova
nel lato basso della membrana interna e prende H+ dalla matrice. Questo è reso possibile grazie allo
sdoppiamento del flusso di elettroni che in parte proseguono diritti fino al citocromo c1, in parte
vengono convogliati in basso verso il lato matrice della membrana dove riducono un’altra molecola
di coenzima Q. Per ogni coppia di elettroni che giungono al citocromo c1 vengono ossidate due
molecole QH2 e vengono quindi immessi 4 H+ nello spazio intermembrana.
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Citocromi
I citocromi sono proteine colorate che partecipano a reazioni di ossidoriduzione e sono presenti in quasi tutti
gli organismi tranne in alcuni batteri anaerobi obbligati come i metanobatteri. Il sistema redox dei citocromi è
il gruppo eme formato da un atomo di ferro, che può passare dallo stato di ossidazione +3 a +2 e viceversa,
legato al centro di un anello porfirinico. Questo è costituito da 4 anelli pirrolici uniti da ponti CH.
..
N
N
N
Fe
N:
N
Fe :N
N
N
N
..
H
pirrolo
gruppo eme
L'anello porfirinico è presente non solo nei citocromi, ma anche nell'emoglobina dove lega un atomo di Fe2+
per trasportare ossigeno molecolare nel sangue. E' presente nella mioglobina, proteina simile all'emoglobina
specializzata nel trasporto di O2 nelle cellule del tessuto muscolare. Infine l'anello porfirinico si trova nel più
importante pigmento fotosintetico presente in tutti gli organismi vegetali, la clorofilla, dove però l'atomo
legato al centro dell’anello è il Mg2+.
I citocromi presenti nei mitocondri sono di tre tipi a, b, c in base al picco assorbito di lunghezza d'onda
maggiore (a: 600 nm, b: 560 nm , c: 550 nm). Il citocromo b del complesso 3, per esempio, possiede due
gruppi eme che hanno l’ultimo picco di assorbimento a 562 e 566 nm e quindi sono chiamati b562 e b566.
I tre tipi di citocromi differiscono per i sostituenti che sono legati all'anello porfirinico. Nei gruppi eme di
tipo a è presente una lunga catena idrofobica di unità isopreniche, gli eme di tipo b sono identici all'eme
dell'emoglobina, gli eme di tipo c sono legati covalentemente alla proteina formando due legami tioetere con
i gruppi tiolici di due residui di cisteina. Nella figura seguente è mostrato un gruppo eme di tipo c, a fianco
sono mostrati gli eme a, b e c visti in sezione per mettere in evidenza i due legandi assiali del ferro dell'eme
che variano con il tipo di citocromo. Nei citocromi a e b entrambi i legandi sono residui di istidina come
accade anche nell'emoglobina. Nel citocromo c i legandi sono istidina e metionina.
Il citocromo c, a differenza degli altri citocromi, non è immerso nella membrana interna, ma si trova sul lato
esterno della membrana e si lega alternativamente al complesso 3 e al complesso 4 e quindi funge da sistema
navetta per gli elettroni tra questi due complessi ossidoriduttivi.
CH2
CH2
proteina
Cys
N
Cys
N
H
H
His
CH CH3
CH3
N
N
CH2 S
CH2
Fe
His
Eme a e b
S
CH
CH3
N
CH3
N
CH2
Fe N
CH2
CH3
CH3
CH2
S
-
N
CH2 CH2 COO
CH2
Fe
CH3
N
H
-
CH2 COO
N
Met
His
Eme c
Eme c
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Complesso 4
Il complesso 4, chiamato citocromo c ossidasi, è composto di 13 subunità ed è la terza ed ultima pompa di
protoni della catena respiratoria. Il complesso catalizza l'ossidazione sequenziale di quattro molecole di
citocromo c (Fe2+ → Fe3+) e la contemporanea riduzione (con quattro elettroni) di una molecola di O2.
La subunità 2 contiene due atomi di rame chiamati centro CuA legati con gli atomi di zolfo di due cisteine in
un complesso simile ai centri 2Fe-2S. Nella subunità 1 sono presenti due gruppi eme chiamati a e a3 ed un
atomo di rame chiamato CuB. L’eme a3 e il CuB sono associati a formare un centro binucleare Fe-Cu al quale
si lega l’ossigeno O2 per essere ridotto ad acqua (vedi foto di copertina a pag 1 ricavata dalla struttura
dell’enzima PDB 1occ).
Il flusso di elettroni nel complesso 4 è quindi dal citocromo c al centro CuA, all’eme a, al centro eme a3 – CuB
e da questo all’ossigeno O2.
Cit c
Complesso 4
spazio
intermembrana
Cu
Cys
S
lato P
S
Cys
Fe
N
CuA
Cu
N
membrana
interna
N
N
O2
N
N
eme a
N
Cu
O
Fe
CuB
N
eme a3
N
O
matrice
lato N
La riduzione dell'ossigeno ad H2O è conveniente da un punto di vista energetico perché fornisce l'energia
necessaria per la fosforilazione, ma nasconde alcune insidie dal punto di vista chimico, infatti i prodotti di
riduzione parziale dell'ossigeno, come lo ione superossido O2− e l'acqua ossigenata H2O2, sono tossici per
la cellula. E' quindi indispensabile che l'ossigeno resti legato al centro eme a3 – CuB per tutto il tempo
necessario a completare la riduzione a quattro elettroni fino a produrre H2O, senza che siano rilasciati
prodotti parzialmente ridotti.
Il complesso 4 ridotto contiene i quattro gli elettroni necessari per la riduzione, uno per ogni centro redox:
CuA, eme a, eme a3, CuB.
Il meccanismo della riduzione è illustrato di seguito. I primi due elettroni giungono subito all’ossigeno
appena questo si lega al centro eme a3 – CuB (stadio 1). L’ossigeno ora si trova allo stato di ossidazione 1−
tipico dell’acqua ossigenata H2O2. Il terzo e il quarto elettrone che servono per completare la riduzione fino
ad acqua si trovano sull’eme a e sul CuA e da qui devono giungere all’eme a3. La riduzione fino ad H2O, però,
viene completata in anticipo, quando arriva il terzo elettrone dall’eme a (stadio 2) senza attendere che giunga
anche l’ultimo elettrone dal CuA. L’elettrone mancante viene donato dal ferro dell’eme a3 che dona due
elettroni all’ossigeno (stadio 3) e assume temporaneamente lo stato di ossidazione Fe4+, chiamato ferrile, e
permette in questo modo che si formi acqua. Quando alla fine arriva l’ultimo elettrone (attraverso la sequenza
CuA, eme a, eme a3), il ferro 4+ dell’eme a3 può tornare allo stato di ossidazione più stabile 3+ (stadio 5).
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. Cu 1+
A
. Cu 1+
A
. Fe2+
. Fe2+
:O
..
.
. Cu1+
.
3+
1
B
. Cu 1+
A
. Fe2+
2+
Fe
:O
..
O
.. :
2
Cu B
3+
Fe
(.)
. Fe2+
:O
..
O
.. :
2+
Cu B
3
O
.. :
+
Con i primi 2 e− si è formato O22−
O2 si lega al complesso 4 ridotto
. Cu 1+
A
2+
3+
Fe
4+
2+
:O
.. : −
Cu B
2+
. Fe2+
CuA
Fe
Cu A
4+
4
: OH
..
2+
Fe
Cu B
:OH
..
: OH
..
+
+
H
Servono altri 2 e− per formare 2 H2O
3+
5
Fe
H2 O
2+
Cu B
H2 O
+
H
H
Arriva l’ultimo elettrone, viene liberata H2O
H
4+
Si è formato Fe
3+
Fe
Complesso 4 ossidato
Meccanismo della riduzione di O2 nel complesso 4
Fosforilazione ossidativa
L’energia liberata dalla reazione di ossidazione di NADH e FADH2 con l’ossigeno molecolare O2, è stata
convertita dai complessi della catena respiratoria in una differenza di pH a cavallo della membrana interna
dei mitocondri. Gli ioni H+ in eccesso, accumulati nello spazio intermembrana, non possono tornare
liberamente nella matrice perchè la membrana interna è impermeabile a questi ioni. Gli H + possono tornare
nella matrice solo passando attraverso l’enzima ATP sintasi mostrato qui sotto. Questo è un complesso
enzimatico situato nella membrana interna dei mitocondri, ed è in grado di sintetizzare ATP da ADP e fosfato
inorganico sfruttando il flusso di ioni H+ che lo attraversano. ATP sintasi è una vera e propria macchina
molecolare con parti in movimento azionate dal flusso di ioni H+ proprio come un mulino è azionato da un
flusso di acqua (per i dettagli di questo movimento vedi Molecola del Mese 12/2005 su pianetachimica.it).
H+
Fo
H+ H+ H+
lato P
membrana
interna
lato N
OH− OH− OH− OH−
β
α
ADP + Pi
β
F1
ATP
L’enzima è composto da due subunità Fo (“o” sta per sensibile alla oligomicina) e F1. La subunità Fo ha la
forma di un cilindro ed è immersa nella membrana interna. F1 ha forma sferica, è formata da tre catene α e da
tre catene β ed è tenuta ferma a ridosso di Fo nello spazio della matrice. Le due subunità sono collegate da un
asse solidale con Fo e che penetra all’interno di F1.
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Gli ioni H+ possono fluire dallo spazio intermembrana (lato P, positivo) alla matrice (lato N, negativo) e
questo flusso obbliga la subunità Fo a ruotare come una trottola. Questo fa ruotare anche l’asse e lo fa
strisciare all’interno di F1 che invece è tenuta ferma da un braccio esterno.
Il movimento dell’asse all’interno di F1 provoca una deformazione ciclica delle tre subunità β che assumono a
turno tre diverse conformazioni. Una subunità β è inizialmente affine per ADP, poi dopo una rotazione di
120° diventa affine per ATP al punto che la sintesi ADP + P → ATP diventa favorevole, infine dopo una
rotazione di 240° perde l’affinità per ATP così lo può rilasciare. Il passaggio difficile della reazione, non è la
sintesi di ATP che si forma anche in assenza del flusso di H+ infatti questa reazione avviene con ∆G uguale a
zero perchè ATP è stabilizzato dai legami col sito attivo dell’enzima. Il passaggio difficile è il rilascio di
ATP che può avvenire solo dopo che la subunità Fo ha ruotato deformando la catena β di F1, inducendola a
rilasciare ATP.
In ogni istante le tre catene β si trovano una legata ad ADP, la seconda legata ad ATP appena sintetizzato, la
terza infine è vuota, come si può vedere nella seguente figura che mostra in sezione la subunità F 1.
ATP
β
α
α
ADP
Pi
β
ATP
β
α
L’ATP non può essere rilasciato dalla terza catena β fino a quando ADP non si è legato alla prima.
Il movimento dell’asse centrale non avviene in modo fluido, ma a scatti di 120°.
O
H
: ..
O
H
O
− ..
:O
..
P
O−
O
P
OH
O
−
O
O
−
O−
P
O
O
P
O
O
O
P
OH
O
CH2
O
O
OH
H2O
A
−O
O
C
−
O
P
O
CH2
O
A
O
C
OH OH
Glu subunità β
Pi
+
ADP
OH OH
Glu subunità β
→
H2O
+
ATP
Studi con H2O contenente l’isotopo 18O hanno dimostrato che la sintesi di ATP avviene per attacco di ADP su
una molecola di fosfato inorganico con espulsione di una molecola d’acqua. In pochi minuti, infatti, visto che
la reazione è all’equilibrio, il fosfato incorpora 18O.
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Accoppiamento e disaccoppiamento della fosforilazione ossidativa
In condizioni normali la fosforilazione ossidativa è strettamente accoppiata al trasporto di elettroni nella
catena respiratoria, cioè il NADH e il FADH2 vengono ossidati solo se contemporaneamente l'ADP viene
fosforilato ad ATP. Nello stato di riposo, infatti, quando il consumo di ATP è minimo, diventa minima la
fosforilazione e quindi la differenza di pH a cavallo della membrana interna dei mitocondri raggiunge il
valore massimo. In queste condizioni diventa troppo alta la richiesta energetica per spostare H + dal lato N al
lato P e quindi sono impediti ulteriori spostamenti di H+ verso lo spazio intermembrana e questo inibisce
anche il trasporto di elettroni. La membrana mitocondriale interna, infatti, è impermeabile agli ioni H + e
questi possono tornare nella matrice solo attraverso l'enzima ATP sintasi.
OH
NO2
2,4-dinitrofenolo
NO2
La fosforilazione ossidativa e la catena respiratoria possono essere disaccoppiate da alcune molecole
aromatiche debolmente acide, come il 2,4-dinitrofenolo, che sono in grado di trasportare protoni attraverso la
membrana interna e quindi forniscono un'altra via agli ioni H+ per tornare nella matrice. In questo modo il
mitocondrio può ossidare NADH senza produrre ATP. La cellula degrada allora grandi quantità di glucosio
e di acidi grassi, l'energia liberata nel processo di ossidazione viene dissipata sotto forma di calore nella
reazione di formazione di H2O da H+ e OH−. Il 2,4-dinitrofenolo è stato usato come prodigiosa pillola per
dimagrire all'inizio del ‘900, ma è stato subito abbandonato per la sua pericolosità.
I neonati dei mammiferi e gli animali che vanno in letargo possiedono un tipo di tessuto adiposo chiamato
grasso bruno in cui l'ossidazione degli acidi grassi non viene utilizzata per produrre ATP, ma per generare
calore che serve a mantenere costante la temperatura corporea. Questo tessuto è costituito da trigliceridi
come il tessuto adiposo bianco, ma contiene una grande quantità di mitocondri i cui citocromi determinano il
colore scuro. I mitocondri del grasso bruno contengono una proteina disaccoppiante chiamata termogenina
immersa nella membrana interna che, in seguito ad un opportuno segnale, forma un canale che consente il
passaggio dei protoni che così possono tornare liberamente nella matrice per produrre acqua e calore. In
questo modo gli orsi quando si svegliano dal letargo invernale possono aumentare rapidamente la loro
temperatura corporea da pochi gradi sopra lo zero fino a 40 °C e così diventano attivi in pochi minuti.
Considerazioni finali
Con l'ossidazione completa di una molecola di glucosio per formare CO2 e H2O, la respirazione cellulare
produce ben 32 molecole di ATP (oppure 30 ATP nelle cellule dove è meno efficiente il sistema di trasporto
dal citoplasma ai mitocondri dei due NADH prodotti dalla glicolisi). Lo schema della pagina seguente
riassume le reazioni coinvolte.
La glicolisi anaerobica, o fermentazione omolattica, produce solo 2 molecole di ATP per ogni molecola di
glucosio degradata e quindi è circa 16 volte meno efficiente della respirazione cellulare, ma è circa 200 volte
più veloce, essendo un processo molto più semplice. La glicolisi anaerobica, quindi, produce una quantità
circa 13 volte maggiore di ATP nell’unità di tempo. Per questo il muscolo scheletrico sotto sforzo intenso
lavora in condizioni anaerobiche, in questo modo sviluppa più potenza, ma al prezzo di consumare più
glucosio e soprattutto di accumulare acido lattico. Dopo uno sforzo violento il muscolo deve riposare per
eliminare l’acido lattico prodotto. Questo, col flusso sanguigno, va nel fegato per essere trasformato ancora in
glucosio.
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Schema riassuntivo della respirazione cellulare
glucosio
2 ADP
2 NAD+
2 ATP
2 NADH
Glicolisi
2 acido piruvico
2 NAD+
2 CO2
Decarbossilazione
ossidativa
2 NADH
2 acetil-CoA
2 ADP
6 NAD+
2 FAD
2 ATP
6 NADH
2 FADH2
Ciclo di Krebs
4 CO2
Totale:
4 ATP
10 NADH
40 H+
1
2
2 FADH2
40 H+
20 H+
100 H+
8 H+
4 H+
12 H+
3
4
Catena
respiratoria
Fosforilazione
ossidativa
4 e-
20 e-
10 NADH
6 O2
10 NAD+
2 FADH2
glicolisi
ciclo di Krebs
4 ATP
Totale:
24 e6 H2O
2FAD
10 NADH
2 FADH2
x 2,5
x 1,5
25 ATP
3 ATP
25 ADP
25 ATP
3 ADP
3 ATP
Bilancio di ATP
32 ATP
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